Beyond Single‐Cycle Autonomous Molecular Machines: Light‐Powered Shuttling in a Multi‐Cycle Reaction Network

轮烷 分子机器 生物系统 异构化 计算机科学 动能 工作(物理) 不对称 纳米技术 化学 材料科学 分子 物理 超分子化学 热力学 生物化学 有机化学 量子力学 生物 催化作用
作者
Zhiyao Yang,Xirui Wang,Emanuele Penocchio,Giulio Ragazzon,Xinnan Chen,Shuai Lu,Yidan Zhou,Kuirong Fu,Zejiang Liu,Yimin Cai,Xiujun Yu,Xiaopeng Li,Xiaowei Li,Wen Feng,Lihua Yuan
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
被引量:1
标识
DOI:10.1002/anie.202414072
摘要

Biomolecular machines autonomously convert energy into functions, driving systems away from thermodynamic equilibrium. This energy conversion is achieved by leveraging complex, kinetically asymmetric chemical reaction networks that are challenging to characterize precisely. In contrast, all known synthetic molecular systems in which kinetic asymmetry has been quantified are well described by simple single-cycle networks. Here, we report on a unique light-driven [2]rotaxane that enables the autonomous operation of a synthetic molecular machine with a multi-cycle chemical reaction network. Unlike all prior systems, the present one exploits a photoactive macrocycle, which features a different photoreactivity depending on the binding sites at which it resides. Furthermore, E to Z isomerization reverses the relative affinity of the macrocycle for two binding sites on the axle, resulting in a multi-cycle network. Building on the most recent theoretical advancements, this work quantifies kinetic asymmetry in a multi-cycle network for the first time. Our findings represent the simplest rotaxane capable of autonomous shuttling developed so far and offer a general strategy to generate and quantify kinetic asymmetry beyond single-cycle systems.
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